NE‑Metalle: Klassifikation, Eigenschaften und Legierungen

NE‑Metalle: Klassifikation und Eigenschaften

Unentbehrlich und zunehmend in der Herstellung vieler Produkte eingesetzt, werden die NE‑Metalle (Nichteisenmetalle) nach ihrer Dichte und Eigenschaften klassifiziert.

Klassifikation nach Dichte

• Schwer: Dichte größer als 5 kg/dm³ — z. B. Kupfer, Zinn, Zink, Blei.
• Leicht: Dichte zwischen 2 und 5 kg/dm³.
• Ultraleicht: Dichte unter 2 kg/dm³ — z. B. Aluminium, Titan.
• Mechanisch besonders leicht: Magnesium und Beryllium.

NE‑Metalle sind meist weich und wenig hart; sie werden oft legiert, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Eine (nicht vollständige) Reihenfolge von Metallen und Legierungen vom höchsten zum niedrigsten ist: Aluminium (und Legierungen), Zinn, Blei, Zink, Nickel, Chrom, Titan, Magnesium, Kupfer.

Zinn (Sn)

Zinn ist in der Erdkruste selten. Es wird häufig in konzentrierten Erzen gefunden, wobei der Gehalt oft sehr gering ist (~0,02 %). Das meist ausgebeutete Zinnerz ist Kassiterit, in dem das Metall als Oxid (SnO2) vorkommt.

• Eigenschaften:
  • Reines Zinn hat eine sehr helle Farbe. An der Luft oxidiert es an der Oberfläche und verliert seinen Glanz.
  • Bei Raumtemperatur ist es sehr formbar und weich; dünne Bleche von wenigen Zehntel Millimetern sind möglich.
  • Bei höherer Temperatur wird es spröde und brüchig.
  • Unter −18 °C zersetzt es sich zu einem grauen Pulver (bekannt als Zinnpest).
  • Bei Verformung kann ein charakteristisches knirschendes Geräusch auftreten, das manchmal als "Zinnweinen" beschrieben wird.
• Hauptlegierungen und Anwendungen:
  • Bronze: Legierung aus Kupfer und Zinn.
  • Lote: Zinn‑Blei‑Legierungen mit 25–90 % Zinn.
  • Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt: z. B. Darcet (ca. 25 % Sn + 25 % Pb + 50 % Bi), schmilzt bei etwa 97 °C; Cerrolow (Beispielsangaben: 8,3 % Sn + 22,6 % Pb + 44,7 % Bi + Cd + ...), schmilzt bei ca. 47 °C (Angaben variieren je nach Zusammensetzung).
  • Eines der wichtigsten Einsatzgebiete von Zinn ist die Herstellung von Weißblech (stahlblech mit dünner Zinnbeschichtung). Zinn schützt Stahl vor Oxidation.

Kupfer (Cu)

Kupfer-Erze treten heute in Form von gediegenem Kupfer, Sulfiden (Kupferkies, Kupferglanz) und Karbonaten/Oxiden (Malachit, Kupferkies (Cuprite)) auf.

• Eigenschaften:
  • Sehr dehnbar und gut formbar.
  • Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
• Der Zusatz anderer NE‑Metalle zum Kupfer verbessert seine mechanische Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit, verringert jedoch etwas die elektrische und thermische Leitfähigkeit.
• Häufige Legierungen:
  • Bronze (Kupfer + Zinn): Regelmäßig nur Kupfer und 5–30 % Zinn. Verwendung z. B. für Glocken, Getriebe.
  • Messing (Kupfer + Zink): Regulär 30–55 % Zink. Verwendung z. B. für Armaturen, Schrauben, Muttern.

Titan (Ti)

Titan ist in der Natur reichlich vorhanden; es kommt in vielen vulkanischen Gesteinen vor. Die Gewinnung ist komplex und kostspielig. Typische Mineralien sind Rutil und Ilmenit.

• Eigenschaften:
  • Silbrig‑weißes Metall, widerständig gegen Oxidation und Korrosion; ähnlich oder besserer Korrosionsschutz als nichtrostender Stahl.
  • Mechanische Eigenschaften ähnlich oder überlegen gegenüber Stahl, mit dem Vorteil geringer Dichte und Erhaltung der Festigkeit bis ca. 400 °C.
• Anwendungen: Wegen des geringen Gewichts und der hohen mechanischen Leistung vor allem in der Luft‑ und Raumfahrt (Strukturen, Maschinenteile, Flugzeuge, Raketen, Satelliten).

Magnesium (Mg)

Magnesium ist das leichteste Konstruktionsmetall, weit verbreitet und in Form von Magnesiumchlorid im Meerwasser sowie in Dolomit und Magnesit vorhanden. Carnallit ist ein weiteres Magnesiummineral.

• Eigenschaften:
  • In flüssiger oder pulverförmiger Form sehr leicht entzündlich.
  • Silbrig‑weiße Farbe, ähnlich Silberlegierungen.
  • Sehr formbar und duktil.
  • Haltbarer als einige Aluminium‑Schmiedestücke.
• Anwendungen: Hauptsächlich in der Luftfahrt eingesetzt.
• Legierungen (Auswahl):
  • Magnam: z. B. Mg + Mn + Zn + Al (Beispielnamen variieren).
  • Gusslegierungen: Magnesium + Zink + Aluminium‑Magnesium‑Zusätze.
  • In reinster Form: Verwendung in Gießereien; zudem in Feuerwerk und als Flussmittel bei Stahlerzeugung.

Cuproaluminio, Alpaka und Cupro

Cuproaluminio: Kupfer‑Aluminium‑Legierung, verwendet z. B. für Propeller und Turbinen.

Alpaka (eine Kupferlegierung mit Nickel und Zink) hat eine silberne Farbe und wird für preiswerte Schmuckstücke und Silberwaren verwendet.

Cupro (Kupfer‑Nickel‑Legierung, ca. 40–50 % Cu) wird u. a. für elektrische Kontakte und Münzen verwendet.

Zink (Zn)

Zink wird aus Erzmineralen wie Sphalerit und Calamina gewonnen.

• Eigenschaften:
  • Sehr widerstandsfähig gegen Oxidation und Korrosion in Luft und Wasser, aber weniger beständig gegenüber Säuren und einigen Salzen.
  • Höchster thermischer Ausdehnungskoeffizient unter den meisten Metallen.
  • Bei Raumtemperatur spröde, zwischen 100–150 °C jedoch sehr formbar.
• Kommerzielle Vorteile und Anwendungen:
  • Legierungen wie Messing (Cu + Zn) ersetzen in vielen Anwendungen oft Bronze.
  • Deutsches Neusilber (Cu + Ni + Zn) und Zamak (Al + Cu + Zn) bieten kostengünstige Lösungen für Besteck, Schmuck und präzise Gussteile.
  • Reines Zink in Blechen unterschiedlicher Dicke: Dachabdeckungen, Dachrinnen, Fallrohre, Wasserleitungen, Batteriegehäuse.
  • Verzinkungsverfahren: elektrolytisches Verzinken, Feuerverzinken (Eintauchen in geschmolzenes Zink), metallische Zinkpigmente in Farben, Sherardisierung (Beschichtung mit Zinkstaub und Erhitzen).
  • Weitere Anwendungen: Sonnenschutz, Deodorants, Farbstoffe, Klebstoffe, Konservierungsmittel etc.

Blei (Pb)

Blei-Erze: Das am häufigsten genutzte Erz ist Bleiglanz (Bleisulfid).

• Eigenschaften:
  • Sehr weich und gut verformbar; grau‑weiß und sehr hell, wenn frisch geschnitten.
  • Oxidiert leicht; eine basische Karbonatschicht schützt das Metall gegen weitere Oxidation.
  • Gute Beständigkeit gegen Salzsäure und Schwefelsäure; allerdings wird es von Salpetersäure und Schwefel teilweise angegriffen.
• Aufgrund seiner Witterungs‑ und chemischen Beständigkeit hat Blei viele Anwendungen, sowohl rein als auch in Legierungen.
• Anwendungen und Legierungen:
  • Rein: Bleioxide für Antioxidantien, Rohrleitungen, Batterien, Abschirmung gegen nukleare Strahlung (Röntgenstrahlen).
  • Legierungen: Lote aus Blei und Zinn; Füllstoffe und andere Anwendungen.

Aluminium (Al)

Aluminium ist das häufigste Metall in der Erdkruste (etwa 8 %). Es kommt nicht in reiner Form vor, sondern gebunden, z. B. in Tonmineralien, Feldspat, Schiefer und Granit. Das wichtige Erz für Aluminium ist Bauxit, ein Aluminiumoxid‑reichen Gestein.

• Eigenschaften:
  • Sehr leicht und luftbeständig: Luft bildet einen sehr dünnen Film aus Aluminiumoxid (Al2O3), der das Metall schützt.
  • Guter Leiter für Strom und Wärme; häufig in Hochspannungsleitungen verwendet, da es leichter ist als Kupfer.
  • Sehr formbar (z. B. Alufolie) und duktil.
• Anwendungen und Legierungen:
  • Aluminiumlegierungen mit Kupfer (z. B. Duralumin) für Strukturbauteile wie Reifen, Karosserieteile, Fahrräder.
  • Aluminium + Magnesium: vorwiegend in der Luft‑ und Raumfahrt sowie im Automobilbau.
  • Aluminium + Kupfer + Silizium: für Druckgussteile.
  • Aluminium + Nickel + Kobalt (Alnico): starke Permanentmagnete.
  • Reines Aluminium in gepressten oder pulverförmigen Formen bietet guten Witterungsschutz.
• Gängige Vormate: Drähte, Bleche, Stangen und Profile.

Hinweis: In diesem Dokument sind zahlreiche Legierungen, Zusammensetzungen und industrielle Anwendungen aufgeführt. Die genauen Zusammensetzungen und Schmelzpunkte können je nach Quelle und Standard variieren.